新的平面晶體管超越了理論極限

一個由來自加利福尼亞大學和賴斯大學的研究人員組成的團隊已經(jīng)找到了一種方法來獲得一個平板晶體管，以對抗場效應晶體管(FETs)的理論限制。 在他們發(fā)表在“自然”雜志上的論文中，該團隊描述了他們的工作，以及為什么他們認為這可能導致消費設備具有更小的電子產(chǎn)品和更長的電池壽命。 與荷蘭伊拉斯謨MC大學醫(yī)學中心的Tomioka提供了一篇新聞和觀點文章，討論團隊在同一期刊上所做的工作。

正如Tomioka指出的，目前用于制造小型消費電子設備的材料和結(jié)構(gòu)類型正在迅速達到一個閾值，在此閾值上必須進行權(quán)衡-更小的晶體管或更多的功率要求-這是因為FET的獨特性質(zhì)，縮短它們使用的信道需要更多的功率，在對數(shù)尺度上。 因此，繼續(xù)使場效應管變得更小，使它們使用更少的功率意味著兩件事，第一是必須找到不同的通道材料，一種允許在低電壓下高開關(guān)電流的材料。 第二種方法是必須找到一種降低場效應管所需電壓的方法。

研究人員已經(jīng)在第一個要求上取得了進展，例如，用金屬氧化物半導體材料建造FET。 事實證明，第二個挑戰(zhàn)更大。 在這項最新的努力中，研究人員尋找隧道來減少電壓需求，其結(jié)果很自然地被稱為隧道場效應管或TFET-它們需要較少的電壓，因為它們被覆蓋（由柵極堆棧），并通過量子隧道傳輸電荷。 該團隊建造的設備是基于二硫化鉬和塊狀鍺的二維雙層-它表現(xiàn)出負微分電阻、隧穿標記和非常陡峭的亞閾值斜率（與快速開啟相關(guān)的開關(guān)特性），低于經(jīng)典的理論極限。

團隊的工作代表了在解決未來電子設備的最小持續(xù)時間問題方面取得的實質(zhì)性進展，但正如團隊所指出的，還有很多工作要做。 他們表示樂觀，進一步的改進將導致不僅更好的消費設備，而且微小的傳感器，可以引入身體，以幫助監(jiān)測健康。

硅基金屬氧化物場效應晶體管的不斷縮小，支撐了信息技術(shù)的快速發(fā)展。 然而，這種技術(shù)在進一步推廣方面面臨兩大挑戰(zhàn)。 首先，當溝道長度減小時，器件靜電（晶體管的柵極控制其溝道電位的能力）被降低，以硅等常規(guī)塊體材料為溝道。 最近，二維半導體材料已經(jīng)成為取代硅的有前途的候選材料，因為它們可以保持優(yōu)良的器件靜電，即使在大大減少的通道長度。 第二個更嚴重的挑戰(zhàn)是，由于開啟特性的陡度或亞閾值擺動的基本熱離子限制，電源電壓不能再被與晶體管尺寸相同的因素縮小。為了使縮放能夠在沒有功率懲罰的情況下繼續(xù)，需要一種不同的晶體管機制來獲得亞熱離子亞閾值擺動，例如帶對帶調(diào)諧。 在這里，我們演示了基于二維半導體的帶-帶隧道場效應晶體管(隧道-FETs)，它表現(xiàn)出陡峭的開關(guān)；亞閾值擺動是每十年至少3.9毫伏，在室溫下40年的漏電流中，平均每十年31.1毫伏。 以高摻雜鍺為源，原子薄的二硫化鉬為溝道，構(gòu)建了具有優(yōu)良靜電特性，無應變異質(zhì)界面，低隧穿勢壘，大隧穿面積的垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu).. 我們的原子薄和層狀半導體通道隧道-FET(ATLAS-TFET)是唯一的平面結(jié)構(gòu)隧道-FET，以實現(xiàn)亞熱離子亞閾值擺動在40年的漏電流，如參考文獻中所建議的。17，也是唯一的隧道-FET（在任何架構(gòu)）實現(xiàn)這一點，在低電源電壓為0.1伏特。 我們的器件是目前最薄通道的亞熱離子晶體管，有潛力為超密集和低功耗集成電路以及超敏生物傳感器和氣體傳感器開辟新的途徑。